Els experiments del LHC observen un rar procés amb quatre quarks top, les partícules més massives conegudes
Els detectors ATLAS i CMS del major accelerador de partícules del món observen la producció simultània de quatre quarks top, la partícula elemental més pesada, al CERN
L'Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) juga un paper destacat en la troballa, considerat clau per a buscar noves partícules més enllà del Model Estàndard
Les col·laboracions científiques internacionals que operen en els experiments ATLAS i CMS al Laboratori Europeu de Física de Partícules (CERN) acaben d'anunciar la primera observació de la producció simultània de quatre quarks top. El quark top és la partícula elemental més massiva coneguda, per la qual cosa requereix molta energia per a produir-se. El Gran Colisionador d'Hadrons (LHC) del CERN, el major i més potent accelerador de partícules del món, és l'únic capaç de produir alhora quatre quarks top, el procés més rar que observat fins hui i que produeix l'estat final més pesat. L'Institut de Física Corpuscular (IFIC), centre mixt del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat de València (UV), participa en el treball.
El quark top, un de les rajoles que componen tot el que veiem a l'univers, pot tindre la clau del mecanisme que genera la massa, atés que és la partícula elemental més pesada del Model Estàndard, la teoria que descriu l'univers visible. L'estudi de la producció de quatre quarks top és particularment important, ja que noves partícules o forces podrien alterar la probabilitat de produir quatre quarks top a partir de les prediccions del Model Estàndard. És una espècie de ‘Sant Greal’ de la cerca de ‘nova física’.
La Col·laboració ATLAS, un dels dos grans experiments del LHC on participen més de 5.000 científics i tècnics de tot el món, havia trobat indicis de la producció simultània de quatre quarks top en les dades obtingudes entre 2015 i 2018 (Run 2). Ara, després de quatre anys de presa de dades i cinc d'anàlisis, l'equip científic d'ATLAS ha revisat la cerca aprofitant les millores en el rendiment del detector, noves tècniques d'anàlisis (entre elles l'aprenentatge automàtic denominat Graph Neural Network) i una millor comprensió dels principals processos de fons. Tot això fa que el resultat, presentat la setmana passada a la conferència de Moriond, abast els sis sigmas de confiança estadística, confirmant la troballa.
Participació espanyola
Els grups d'investigació de l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) i de l'Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) han tingut una gran rellevància en la cerca de processos rars amb quarks top. Marcel Vós, investigador del CSIC a l'IFIC, és el coordinador del grup de física de top de l'experiment ATLAS, mentre que Aurelio Juste, investigador de l'IFAE, és el president del consell editorial que ha revisat la publicació.
“Estem molt contents que finalment s'haja descobert aquest procés. Al llarg de la meua trajectòria he pogut treballar en estudis fenomenològics relacionats abans de l'inici del LHC. És una gran satisfacció ser finalment testimoni d'aquest ‘descobriment del Model Estàndard’ després de tots aquests anys”, comenta Marcel Vós.
L'entusiasme que provoca el descobriment en la comunitat científica de física de partícules prové de l'espectacular estat final. Amb 4 top quarks, les masses restants sumen per si soles 700 gigaelectronvoltis (GeV), prop de l'energia de col·lisió màxima aconseguida en l'anterior accelerador de partícules més potent, el Tevatron en Fermilab (els EUA). El fet que el LHC puga descobrir aquest procés és un testimoniatge del gran poder d'aquesta complexa màquina.
Relació amb el bosó d'Higgs
Durant aquesta investigació, l'equip ha buscat també senyals de nous fenòmens físics en relació amb el bosó d'Higgs. Aquesta anàlisi nova els ha portat a delimitar la interacció entre el quark top i el bosó d'Higgs, posant un límit de 1,8 vegades la predicció del Model Estàndard. Finalment, també s'ha observat un lleuger excés en la taxa en comparació amb la predicció del Model Estàndard, la qual cosa fa que el resultat siga encara més intrigant.
En moltes de les extensions del Model Estàndard proposades la taxa de producció de successos amb 4 quarks top augmenta. “Amb el temps es podrà confirmar si és el primer senyal d'una contribució inesperada de la física a aquest procés més enllà del Model estàndard, o si mesuraments més precisos en el futur coincidiran amb el model. Ara com ara, CMS, l'altre gran experiment del LHC, també ha confirmat l'observació”, apunta el científic del CSIC.
La Col·laboració ATLAS continuarà impulsant la precisió d'aquest mesurament durant el Run 3 del LHC, que està en curs des de 2022. Els estudis futurs brindaran informació addicional sobre el senyal observat, la qual cosa ajudarà a determinar si realment coincideix amb el Model Estàndard o si hi ha indicis de nous fenòmens físics que conduïsquen a una comprensió més profunda de la naturalesa fonamental de l'univers.
